C語(yǔ)言如何實(shí)現(xiàn)位段機(jī)制

這篇文章主要為大家展示了“C語(yǔ)言如何實(shí)現(xiàn)位段機(jī)制”，內(nèi)容簡(jiǎn)而易懂，條理清晰，希望能夠幫助大家解決疑惑，下面讓小編帶領(lǐng)大家一起研究并學(xué)習(xí)一下“C語(yǔ)言如何實(shí)現(xiàn)位段機(jī)制”這篇文章吧。

概念

什么是位段？

位段又稱為位域，C語(yǔ)言允許在一個(gè)結(jié)構(gòu)體中以位為單位來(lái)指定其成員所占內(nèi)存長(zhǎng)度，這種以位為單位的成員就叫做稱為位段( bit field) 。利用位段能夠用較少的位數(shù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)達(dá)到節(jié)省空間的目的。

位段是結(jié)構(gòu)體特有的，所以聲明是和結(jié)構(gòu)是類似的，但有兩個(gè)不同：

1. 位段成員必須是 int ，unsigned int，signed int

2. 位段成員名后邊結(jié)構(gòu)包括一個(gè)冒號(hào)和整型數(shù)字

舉個(gè)栗子：

struct haha
{
    unsigned int ch   : 8;    //8位
    unsigned int chh : 6;    //6位
    unsigned int chhh : 18;   //18位
};
struct haha dest;

內(nèi)存分配

這里的 haha 就是一個(gè)位段的類型，這個(gè)神神秘秘的位段咱不常見(jiàn)，那么他的大小怎么算的呢？其實(shí)和結(jié)構(gòu)體是一樣的：

struct arr
{
int a:2;
int b:5;
int c:10;
int d:30;
};
int main()
{
printf("%d\n",sizeof(struct arr));
return 0;
}

這里 a：2什么意思呢？

成員 a 只占 2 個(gè)比特位，后面同理，既然這樣，那我們總計(jì) 47 比特位，也就是 6 個(gè)字節(jié) 48 個(gè)比特位已經(jīng)足夠了，那為什么又是 8 呢？位段的內(nèi)存分配到底是怎樣的？

這里千萬(wàn)不要犯低級(jí)錯(cuò)誤誤認(rèn)為他的大小就是 47 個(gè)比特位，和前一篇博客敘述原理相同，因?yàn)槎际?int 類型，所有成員會(huì)向 int 看齊，int 是四字節(jié)，默認(rèn) 8 字節(jié)，對(duì)齊數(shù)取 4 字節(jié)，a+b < 1字節(jié)，合并申請(qǐng) 1 字節(jié)空間，后面都需要獨(dú)立申請(qǐng)空間，總計(jì) 1+2+4 = 7字節(jié)，結(jié)構(gòu)體大小必須是最大對(duì)齊數(shù)整數(shù)倍，取 4 的整數(shù)倍就是 8，因此為 8 字節(jié)。

位段跨平臺(tái)問(wèn)題

我們細(xì)想剛剛這種機(jī)制，a，b，c，d 分別為 2,5,10,30 比特位，而我一個(gè)字節(jié)是 8 個(gè)比特位，假若在給 a 分配了 1 字節(jié)后，還剩 6 比特位，這 6 個(gè)位子我要不要讓給二哥 b 成員來(lái)享用呢？==我是一字節(jié)一字節(jié)榨干資本還是出手闊綽安排"單人房"呢？==這里就有了歧義。

要知道位段在空間上是按照需要以四字節(jié) int 或一字節(jié) char 的方式來(lái)開(kāi)辟空間，他涉及很多的不確定性因素，這就是為什么位段是不跨平臺(tái)的，注重可移植性的程序應(yīng)該避免使用位段。

有什么不確定因素呢，就好比我們剛剛提到的內(nèi)存分配問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題連C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)都沒(méi)有規(guī)定我到底該怎么利用，需要由具體的編譯器環(huán)境決定，編譯器環(huán)境又依賴于不同的平臺(tái)比如 Linux 是 gcc 標(biāo)準(zhǔn)，VS則是 windows 標(biāo)準(zhǔn)。

我們要知道：

• 1. int 位段被當(dāng)成有符號(hào)數(shù)還是無(wú)符號(hào)數(shù)是不確定的。

• 2. 位段中最大位的數(shù)目不能確定（16位機(jī)器最大 16,32 位機(jī)器最大 32）。

• 3. 位段中成員的內(nèi)存從左到右分配還是從右向左分配標(biāo)準(zhǔn)尚未定義。

• 4. 當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)中包含兩個(gè)位段時(shí)，第二個(gè)位段成員比較大，無(wú)法容納第一個(gè)位段剩余的位時(shí)，是應(yīng)當(dāng)舍棄還是利用，標(biāo)準(zhǔn)尚未定義。

作用

“ 這么個(gè)玄乎的玩意兒拿來(lái)干嘛啊 ”你可能會(huì)有這樣的疑問(wèn)

我們拿上面的情景來(lái)分析一手：

int a:2;
int b:5;
int c:10;
int d:30;

我們不分配位段時(shí)，需要 16 個(gè)字節(jié)，分配后只要 8 個(gè)字節(jié)，其實(shí)位段就是為了節(jié)省空間，充當(dāng)個(gè)省流大師。

位段使用的前提條件就是某些細(xì)節(jié)需要非常明確，假如我成員 a 的取值只有四種狀態(tài)：00，01，10，11，那我給 a 分配 2 個(gè)字節(jié)是不是就足夠了，那我就給 2 個(gè)，我如果一上手啪嘰就是一個(gè) int 類型，32 個(gè)字節(jié)橫空出世，這個(gè)節(jié)省的性價(jià)比可不低哦~

當(dāng)然萬(wàn)事萬(wàn)物不可能十全十美，我?guī)湍愎?jié)省但總歸會(huì)有一定浪費(fèi)，這是不可避免的。總結(jié)一下就是位段跟結(jié)構(gòu)相比，可以達(dá)到相同效果且可以有效節(jié)省空間，但存在跨平臺(tái)問(wèn)題存在。

Tip

注意，位段機(jī)制跟棧還扯不上關(guān)系，入棧的是數(shù)據(jù)的字節(jié)，位段是在這些字節(jié)的內(nèi)部空間上發(fā)揮作用，已經(jīng)細(xì)節(jié)到“位”了，以及之前提到的大小端模式，大小端是連續(xù)字節(jié)數(shù)據(jù)的存放模式，也細(xì)化不到字節(jié)上。

應(yīng)用場(chǎng)景

位段在實(shí)際生活中也有廣泛的應(yīng)用，比如我們網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)包的格式：

這就是我們?cè)诨ヂ?lián)網(wǎng)上向某個(gè)對(duì)象發(fā)送信息的原理，里面最大的問(wèn)題就是這個(gè)包如果直接扔到網(wǎng)上去，就會(huì)像拖拉機(jī)上高速，鐵鐵的堵車造成網(wǎng)絡(luò)擁擠，我們就會(huì)利用位段機(jī)制進(jìn)行適當(dāng)縮減以減小網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。

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